CN111151883A - 缸套和活塞环组件及其表面织构的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种缸套和活塞环组件及其表面织构的设计方法，包括：缸套和活塞环；在缸套和活塞环上的优化表面上设置有圆形织构；圆形织构为若干个球面凹坑构成，且球面凹坑球面圆直径相同；球面凹坑相互之间间距相同；采用脉冲Nd‑YAG激光器分别在缸套、活塞环上加工优化后的表面织构，不仅具有较高的加工效率，而且在缸套、活塞环表面加工的圆形凹坑具有贮存润滑油、捕捉磨屑的作用。

Description

缸套和活塞环组件及其表面织构的设计方法

技术领域

本发明涉及船舶柴油机零部件技术领域，具体而言，尤其涉及一种新型的用于低速发动机缸套与活塞环组件。

背景技术

随着环保问题日益突出,柴油机的排放标准不断提高,可以通过柴油机的高强化改善机械效率并使燃油充分燃烧,进而降低污染排放。高强化条件下,柴油机爆发压力和转速大幅提高,使各摩擦副的工况环境越来越恶劣,造成摩擦功耗和零部件的磨损量增加。尤其对于混合动力核心摩擦副的缸套-活塞环,其中的摩擦和抗磨损问题已经逐渐成为了制约高功率强化混合动力柴油机进一步健康发展的关键瓶颈技术问题之一。因此,迫切需要对于该摩擦副的减摩和抗磨问题进行深入的研究,为进一步改善强化柴油机传动整机的性能、提高功率强化混合动力柴油机的设计技术水平和可靠性提供了依据。表面织构在减摩、提升摩擦力承载方面具有显著效果，已成为改善缸套-活塞环摩擦磨损行为的重要方法。

表面织构技术是在摩擦面上加工出具有一定尺寸和排列的凹坑或微沟槽的点阵，是改善摩擦副摩擦磨损性能的有效手段之一。表面织构的加工方法有很多，如机械加工法；化学刻蚀法；激光刻蚀法；其中激光刻蚀法加工微织构具有加工过程高效，应用材料范围广，环境友好并且等优点得到广泛应用。虽然在缸套-活塞环摩擦副表面制备织构可以降低摩擦系数，减小磨损量，延长摩擦副的使用寿命，但是织构的尺寸、密度、几何形状和润滑条件都会影响缸套-活塞环的摩擦磨损行为，因此合理优化后的表面织构会对缸套-活塞环摩擦副具有更好的减摩效果。到目前为止，关于在缸套-活塞环上进行激光织构减摩的专利很少。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种新型的用于低速发动机缸套与活塞环组件。

本发明采用的技术手段如下：

一种缸套和活塞环组件，包括：缸套和活塞环；

在缸套和活塞环上的优化表面上设置有圆形织构；

圆形织构具体参数为：缸套上织构的直径为100-150um、深度为30-50um、面积占有率为5-20％；活塞环上织构的直径为100-150um、深度为30-50um、面积占有率为5-20％；

圆形织构为若干个球面凹坑构成，且球面凹坑球面圆直径相同。

球面凹坑相互之间间距相同。

一种缸套和活塞环组件表面织构的设计方法，包括如下步骤：

S1、缸套-活塞环表面织构的设计：设计与缸套、活塞环相对运动方向成90°的表面织构，缸套上织构的直径为150um、深度为30um、面积占有率为10％；活塞环上织构的直径为150um、深度为30um、面积占有率为5％；

S2、缸套-活塞环表面织构的加工：取内径为110mm、壁厚8mm的缸套沿圆周方向以9°/分进行切割，轴向长度为42mm，得到缸套试样；取外径110mm、环高3mm的活塞环沿圆周方向等分20份(18°)切割，得到活塞环试样；

按照S1设计的标准利用脉冲Nd-YAG激光器进行激光表面织构加工，激光加工后利用汽油和酒精各进行超声清洗15min；

S3、缸套-活塞环表面织构的试验测试：采用试样级试验，即利用对置往复式摩擦磨损试验机，通过“磨损形式-条件统一”的模拟准则对缸套-活塞环表面织构进行摩擦磨损试验，来评价缸套-活塞环表面织构的减摩效果；

S4、缸套-活塞环表面织构的最优尺寸：根据摩擦磨损试验结果，选择最佳的凹坑直径、深度和面积占有率。

本发明的优点：采用脉冲Nd-YAG激光器分别在缸套、活塞环上加工优化后的表面织构，不仅具有较高的加工效率，而且在缸套、活塞环表面加工的圆形凹坑具有贮存润滑油、捕捉磨屑的作用。

减小了缸套-活塞环组件的摩擦系数，提高了其耐磨性，延长了缸套-活塞环组件的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明缸套的切割示意图。

图2是本发明活塞环的切割示意图。

图3是本发明缸套的切割后单块示意图。

图4是本发明活塞环的切割后单块示意图。

图5是本发明激光表面织构示意图。

图6是图5局部表面放大图。

图7是图6位置局部剖视图。

图中：1、缸套，2、活塞环，3、缸套内表面，4、缸套凹坑，5、活塞环外表面，6、活塞环凹坑，7、凹坑排，8、缸套-活塞环本体。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1至图7所示的一种缸套和活塞环组件，包括：缸套和活塞环；

在缸套和活塞环上的优化表面上设置有圆形织构；

圆形织构具体参数为：缸套上织构(单体为球面凹坑)的直径为100-150um、深度为30-50um、面积占有率为5-20％；活塞环上织构的直径为100-150um、深度为30-50um、面积占有率为5-20％；

如图4、图5和图6所示，圆形织构为若干个球面凹坑构成，形成缸套内表面3的缸套凹坑4和活塞环外表面5的活塞环凹坑6，最终呈现为凹坑排7，且球面凹坑球面圆直径相同。

如图4、图5和图6所示，球面凹坑相互之间间距相同。

一种缸套和活塞环组件表面织构的设计方法，包括如下步骤：

S1、缸套-活塞环本体9的表面织构的设计：设计与缸套1、活塞环2相对运动方向成90°的表面织构，缸套上织构的直径为150um、深度为30um、面积占有率为10％；活塞环上织构的直径为150um、深度为30um、面积占有率为5％；

S2、缸套-活塞环表面织构的加工：取内径为110mm、壁厚8mm的缸套沿圆周方向以9°/分进行切割，轴向长度为42mm，得到缸套试样；取外径110mm、环高3mm的活塞环沿圆周方向等分20份(18°)切割，得到活塞环试样；

按照S1设计的标准利用脉冲Nd-YAG激光器进行激光表面织构加工，激光加工后利用汽油和酒精各进行超声清洗15min；

S3、缸套-活塞环表面织构的试验测试：采用试样级试验，即利用对置往复式摩擦磨损试验机，通过“磨损形式-条件统一”的模拟准则对缸套-活塞环表面织构进行摩擦磨损试验，来评价缸套-活塞环表面织构的减摩效果；

S4、缸套-活塞环表面织构的最优尺寸：根据摩擦磨损试验结果，选择最佳的凹坑直径、深度和面积占有率。

实施例1

如图1和图2，首先进行了制备缸套-活塞环试样。即取内径为110mm、壁厚8mm的缸套沿圆周方向以9°/分进行切割，轴向长度为42mm，得到缸套试样。取外径110mm、环高3mm的活塞环沿圆周方向等分20份(18°)切割，得到活塞环试样。然后如图2所示，设计与缸套、活塞环成90°的表面织构，缸套上织构的直径为150um、深度为30um、面积占有率为10％；活塞环上织构的直径为150um、深度为30um、面积占有率为5％。图5、图6和图7为缸套-活塞环织构加工示意图，织构的面积占有率s可用式来计算：

S-缸套、活塞环所占的面积率，单位％。

r-凹坑的半径，单位um。

L-凹坑之间的间距，单位um。

按照上述标准利用脉冲Nd-YAG激光器进行激光表面织构制备，激光器的光斑直径为100um,镜头焦距为80mm,波长1.06um，脉冲宽度1us左右，最大输出功率为100W。制备完成后对试样利用汽油和酒精各进行超声清洗15min。

通过试样级试验，进行本发明专利性能测试。试验采用对置往复式摩擦磨损试验机进行，试验过程中，试验机转速为200r/min，试验温度为190℃，试验载荷为50MPa。试验后发现原始缸套-活塞环配对副的摩擦系数为0.120，该实例摩擦系数为0.073。即在缸套-活塞环上加工织构会降低其摩擦系数。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种缸套和活塞环组件，包括：缸套和活塞环；

其特征在于，在缸套和活塞环上的优化表面上设置有圆形织构；

圆形织构具体参数为：缸套上织构的直径为100-150um、深度为30-50um、面积占有率为5-20％；活塞环上织构的直径为100-150um、深度为30-50um、面积占有率为5-20％。

2.根据权利要求1所述的一种缸套和活塞环组件，其特征在于：

所述圆形织构为若干个球面凹坑构成，且球面凹坑球面圆直径相同。

3.根据权利要求1或2所述的一种缸套和活塞环组件，其特征在于：

球面凹坑相互之间间距相同。

4.根据权利要求1或2所述的一种缸套和活塞环组件表面织构的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、缸套-活塞环表面织构的设计：设计与缸套、活塞环相对运动方向成90°的表面织构，缸套上织构的直径为150um、深度为30um、面积占有率为10％；活塞环上织构的直径为150um、深度为30um、面积占有率为5％；

S2、缸套-活塞环表面织构的加工：取内径为110mm、壁厚8mm的缸套沿圆周方向以9°/分进行切割，轴向长度为42mm，得到缸套试样；取外径110mm、环高3mm的活塞环沿圆周方向等分20份(18°)切割，得到活塞环试样；

按照S1设计的标准利用脉冲Nd-YAG激光器进行激光表面织构加工，激光加工后利用汽油和酒精各进行超声清洗15min；

S3、缸套-活塞环表面织构的试验测试：采用试样级试验，即利用对置往复式摩擦磨损试验机，通过“磨损形式-条件统一”的模拟准则对缸套-活塞环表面织构进行摩擦磨损试验，来评价缸套-活塞环表面织构的减摩效果；

S4、缸套-活塞环表面织构的最优尺寸：根据摩擦磨损试验结果，选择最佳的凹坑直径、深度和面积占有率。

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